Pemprosesan isyarat digital

Pemprosesan isyarat digital atau DSP (digital signal processing) ialah kajian mengenai isyarat dalam bentuk digital dan cara pemprosesan isyarat ini. DSP dan pemprosesan isyarat analog merupakan salah satu bidang pemprosesan isyarat. DSP mempunyai tiga cabang utama: pemprosesan isyarat audio, pemprosesan imej digital dan pemprosesan pertuturan.

Kerana tujuan DSP ialah untuk mengukur atau menapis isyarat analog dunia-sebenar yang berterusan, langkah pertama biasanya ialah menukar isyarat dari bentuk analog kepada digital, dengan menggunakan penukar analog ke digital (ADC). Selalunya, isyarat keluaran yang dikehendaki adalah dalam bentuk analog juga, jadi penukar digital ke analog (DAC) diperlukan.

Algoritma yang diperlukan DSP kadangkala dilakukan oleh komputer khas, yang menggunakan mikropemproses khas yang dipanggil pemproses isyarat digital (juga dipendekkan sebagai DSP). Komputer ini memproses isyarat dalam masa-nyata.

Domain DSP

Dalam DSP, jurutera biasanya mengkaji isyarat digital dalam salah satu domain berikut: domain masa (isyarat satu dimensi), domain ruang (isyarat multidimensi), domain frekuensi, domain autokorelasi dan domain gelombang kecil. Mereka memilih domain untuk memproses isyarat melalui tekaan yang berdasarkan pengetahuan (atau dengan mencuba-cuba) domain manakah yang melambangkan ciri-ciri penting isyarat dengan baik. Satu jujukan sampel daripada alat pengukur memberikan gambaran domain masa atau ruang, manakala penjelmaan Fourier diskret (DFT) memberikan maklumat domain frekuensi, iaitu spektrum frekuensi. Autokorelasi pula ialah korelasi silang isyarat tersebut dengan dirinya sendiri dengan perubahan masa atau ruang.

Pensampelan isyarat

Dengan peningkatan penggunaan komputer, kegunaan dan keperluan pemprosesan isyarat digital telah bertambah. Untuk menggunakan isyarat analog pada komputer, ia perlu didigitkan dengan menggunakan penukar analog ke digital (ADC). Pensampelan biasanya dilakukan dalam dua tahap, pendiskretan dan pengkuantuman. Pada peringkat pendiskretan, ruang isyarat dibahagikan kepada beberapa kelas setara dan pendiskretan dilakukan dengan menggantikan isyarat tersebut dengan wakil isyarat dari kelas yang berkenaan. Pada peringkat pengkuantuman, nilai wakil isyarat dianggarkan daripada nilai satu set terhad.

Untuk mensampel isyarat analog dengan betul, teorem pensampelan Nyquist–Shannon mesti dipenuhi. Secara ringkas, frekuensi pensampelan harus lebih besar dari dua kali ganda lebar jalur isyarat (dengan syarat ia dituras dengan sesuai). Biasanya, frekuensi yang digunakan jauh lebih besar dari frekuensi minimum ini. Sebuah penukar digital ke analog (DAC) digunakan untuk menukar isyarat tersebut kembali pada analog. Penggunaan komputer digital merupakan faktor utama dalam sistem kawalan digital.

Domain masa dan ruang

Pendekatan pemprosesan yang paling umum dalam domain masa dan ruang ialah penambahan kualiti isyarat masukan melalui proses penurasan. Penurasan amnya terdiri dari penjelmaan beberapa sampel di sekitar sampel isyarat masukan atau keluaran. Terdapat pelbagai cara untuk mecirikan penuras, contohnya:

• Penuras "linear" merupakan penjelmaan linear sampel masukan. Penuras linear mematuhi syarat tindihan, iaitu jika suatu masukan merupakan gabungan linear diberatkan isyarat yang berbeza, keluarannya juga merupakan gabungan linear diberatkan kepada keluaran setiap isyarat.
• Penuras "bersebab" (causal) menggunakan cuma sampel terdahulu isyarat masukan atau keluaran, manakala penuras "tak-bersebab" menggunakan sampel akan datang. Penuras tak-bersebab biasanya boleh ditukar menjadi penuras bersebab dengan menambahkan lengah padanya.
• Penuras "masa tak-berubah" (time-invariant) mempunyai sifat yang tidak berubah dengan masa, penuras lain seperti penuras "suai" berubah dengan masa.
• Sesetengah penuras adalah "stabil", manakala yang lain tidak. Penuras stabil menghasilkan keluaran yang menjurus ke satu nilai malar dengan masa, atau kekal dalam batasan suatu selang. Penuras tidak stabil menghasilkan keluaran yang mencapah.

• Penuras "sambutan impuls terbatas" (FIR) menggunakan cuma isyarat masukan, manakala penuras "sambutan impuls tak terbatas" (IIR) menggunakan kedua-dua masukan dan sampel keluaran terdahulu. Penuras FIR sentiasa stabil, penuras IIR mungkin tidak.

Kebanyakan penuras boleh digambarkan dalam domain-Z (superset domain frekuensi) oleh fungsi pindah. Penuras juga boleh diperikan sebagai persamaan beza, himpunan kutub dan sifar, atau (jika penuras FIR) sambutan impuls atau sambutan langkah. keluaran penuran FIR untuk mana-mana masukan boleh dikira dengan melingkarkan isyarat masukan dengan sambutan impuls. Penuras juga boleh diwakili dengan rajah blok yang kemudian boleh digunakan untuk memperoleh algoritma pemprosesan sampel untuk melaksanakan penuras dengan arahan perkakasan.

Domain frekuensi

Isyarat biasanya ditukar daripada domain masa atau ruang ke domain frekuensi menggunakan transformasi Fourier. Transformasi Fourier menukar maklumat isyarat kepada komponen magnitud dan fasa setiap frekuensi. Selalunya transformasi Fourier ini ditukar ke spektrum kuasa, iaitu magnitud setiap komponen frekuensi dikuasa dua.

Tujuan yang paling biasa untuk analisis isyarat dalam domain frekuensi ialah analisis sifat isyarat. Jurutera boleh mengkaji spektrum frekuensi untuk mendapat maklumat frekuensi mana yang ada di dalam isyarat masukan dan yang mana tiada.

Terdapat beberapa penjelmaan domain frekuensi yang selalu digunakan. Contohnya kepstrum menukar isyarat ke domain frekuensi menggunakan transformasi Fourier, ambil logaritma, dan kemudian mengenakan transformasi Fourier sekali lagi. Ini memperkuat magnitud kecil komponen frekuensi di samping mengekalkan tahap magnitudnya.

Kegunaan

Kegunaan utama DSP ialah dalam pemprosesan isyarat audio, mampatan audio, pemprosesan imej digital, mampatan video, pemprosesan pertuturan, pengecaman pertuturan dan komunikasi digital. Contoh tertentu ialah mampatan audio dan penghantarannya digunakan dalam telefon bimbit digital, pengimbangan bunyi dalam peralatan hi-fi, ramalan cuaca, ramalan ekonomi, pemprosesan data seismos, analisis dan kawalan proses industri, animasi komputer dalam filem, pengimejan perubatan seperti imbasan CAT dan MRI, manipulasi imej, dan kesan audio untuk penguat gitar elektrik. Kegunaan lain ialah penerimaan frekuensi sangat rendah (VLF) menggunakan kad bunyi PC. DSP juga digunakan dalam sistem radar, sonar dan komunikasi.

Pelaksanaan

Pemprosesan isyarat digital biasanya dilaksanakan menggunakan mikropemproses khas seperti MC56000 dan TMS320. Pemproses isyarat digital ini biasanya memproses data menggunakan aritmetik titik tetap, walaupun terdapat juga versi yang menggunakan aritmetik titik terapung dan lebih berkuasa. Untuk sesetengah aplikasi pantas, FPGA boleh digunakan, manakala untuk penggunaan lain, terutamanya dalam kuantiti besar, rekaan ASIC lebih sesuai digunakan. Untuk aplikasi perlahan seperti imbasan nyala, pemproses tradisional yang perlahan seperti mikropengawal sudah cukup.

Bidang berkaitan

• Kawalan automatik
• Sains komputer
• Mampatan data
• Kejuruteraan elektrik
• Teori maklumat
• Pemprosesan data seismos
• Telekomunikasi

Rujukan

• Digital signal processing